WO2023227728A1 - Energieversorgungssystem, verfahren zum aufbau eines energieversorgungssystems sowie verwendung des energieversorgungssystems - Google Patents

Energieversorgungssystem, verfahren zum aufbau eines energieversorgungssystems sowie verwendung des energieversorgungssystems Download PDF

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    • H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water

Definitions

  • the invention relates to an energy supply system, a method for setting up a modular energy supply system, a method for operation and a use of the energy supply system and its elements.
  • the present patent application is based on the technical problem of optimizing the use of secondary energy sources and, in particular, of providing an energy supply system that is more efficient than the prior art, a method for setting up and operating this energy supply system and uses of the energy supply system and its elements.
  • the energy supply system, the processes and the uses are particularly advantageous in connection with the use of renewable energy as a primary source.
  • an energy supply system comprising a modular combination of a hydrogen production unit, a hydrogen usage unit and a control or regulation unit for controlling or regulating the operation of the hydrogen production unit and the hydrogen usage unit.
  • the basic idea of the invention is to create a modular and universally applicable energy supply system for secondary energy storage and/or use, which in particular allows adjustments to the needs of certain sectors, industries or other specific needs, and can be designed for an integrated structure and then controlled accordingly or is regulated.
  • the combination in the sense of the invention means that the combined units are connected to one another, for example via mass transfer lines for the supply or removal of fluids or solids, wired or wireless data connections for the exchange of information and/or
  • Energy transmission lines for transmitting electrical and/or thermal energy.
  • the system has a modular structure.
  • the units or subunits or other added components of the system are here understood as modules.
  • the hydrogen production unit preferably has an electrolysis device which splits water into hydrogen and oxygen using electrical current, preferably from a renewable energy source.
  • the electrolysis device can work with different principles, for example using ion exchange membranes, for example anion exchange membranes (AEM), or proton exchange membranes (PEM).
  • AEM anion exchange membranes
  • PEM proton exchange membranes
  • the electrolysis device has at least one electrolyzer, but preferably a plurality, for example at least 10, preferably at least 50, more preferably at least 100 or at least 200 individual electrolysers, each capable of functioning independently.
  • the AEM Multicore® electrolyser system from Enapter® can be used as an example. Different electrolyzers that work with different principles can also be used in parallel.
  • An alternative or additional component of the hydrogen production unit can be a plasmalysis device, with which a plasma is generated using electrical current, preferably from a renewable energy source, which produces, among other things, hydrogen from water, in particular wastewater or water containing various waste products . Additional product substances that may arise, such as methane, CO2, or N2, can be used for further purposes.
  • the system according to the invention can also be designed so that the hydrogen generation unit can be operated independently of a power source.
  • a pyrolysis device can be provided as an alternative variant of the hydrogen production unit.
  • Solid carbon can be obtained as a further product.
  • the required process heat is preferably generated from renewable energies.
  • Another alternative or additional component of the hydrogen production unit can be a reforming device with which hydrogen is produced using heat from a fossil energy source, in particular methane, and with the addition of water.
  • CO2 can be obtained as a further product, which can be used for further purposes.
  • the required process heat is preferably generated from renewable energies.
  • the hydrogen production unit can be operated with a single type of the aforementioned devices, i.e. either with at least one electrolysis device or at least one plasmalysis device or at least one pyrolysis device or at least one reforming device.
  • a hydrogen production unit for example, comprises both at least one electrolysis unit and at least one plasmalysis device.
  • the plant can use various raw materials as a hydrogen source, for example purified water for the electrolysis device(s), wastewater for the plasmalysis device(s), methane for the pyrolysis device(s) and methane and water for the reforming device (en).
  • the distribution of different starting materials to the appropriate hydrogen production units can be controlled or regulated, for example depending on the quantities available Starting materials, the availability of the respective hydrogen production units and/or the need for hydrogen usage units.
  • the hydrogen production unit can be provided as a locally coherent unit. However, it is also possible for the hydrogen production unit to be composed of at least two hydrogen production subunits that are spatially spaced apart from one another, whereby each of the hydrogen production subunits alone can have a specific type of the aforementioned devices or a combination thereof.
  • the energy supply system according to the invention can have a raw material storage for each raw material, such as water, wastewater or methane, for example in the form of one or more tanks.
  • the starting material storage is connected or can be connected to the hydrogen production unit for supplying the starting material.
  • the control or regulation unit can be used to automatically control or regulate the supply and removal, for example via controllable or adjustable valves.
  • the energy supply system according to the invention can be designed in such a way that a hydrogen storage unit is provided as the hydrogen usage unit.
  • the hydrogen storage is preferably a gas storage, preferably a low-pressure storage with a maximum pressure of the stored hydrogen of preferably 60 bar, more preferably 50 bar. Storage is also conceivable in a high-pressure gas storage facility.
  • the hydrogen can also be liquefied and then stored in liquid form.
  • the hydrogen storage can also be a solid storage, for example a metal hydride storage, an adsorptive storage and / or a chemical storage using a chemical bond of the hydrogen to a carrier substance.
  • a carrier can be, for example, magnesium or a magnesium compound, magnesia (magnesium carbonate, magnesium oxide or manganese dioxide), CO2 to form formic acid or a liquid organic carrier (LOHC).
  • the hydrogen storage can be limited to one of the aforementioned variants.
  • the variants described above and also variants for a hydrogen storage unit not listed here can also be used in combination with one another, so that a hydrogen usage unit comprises, for example, at least two different hydrogen storage variants.
  • the hydrogen generated by the hydrogen production unit can be supplied to different hydrogen storage units as required.
  • the hydrogen storage or at least one of the hydrogen storages can be part of a delivery device for hydrogen, for example as part of a gas station where, for example, vehicles can be refueled.
  • the delivery device can also be part of an industrial plant or a residential or office complex or other property or be connected to other consumption units, for example a combined heat and power plant.
  • the energy supply system can have an H2 delivery interface as a hydrogen usage unit, for example a connection for a pipeline or for a distribution point for hydrogen.
  • the hydrogen usage unit can also be an energy generating device for generating thermal and/or electrical energy.
  • the energy generating device preferably comprises at least one fuel cell.
  • the fuel cell has a connection for receiving the electrical energy generated.
  • Possible consumers for the electrical energy can be, for example, electrical consumers or one or more batteries, but also the energy supply system or parts of it.
  • a large number of fuel cells are preferably used, which are preferably supplied with hydrogen in parallel and can be electrically connected in parallel or in series.
  • the amount of hydrogen delivered to the fuel cell per unit of time can be controlled or regulated by means of the control or regulating unit.
  • the type of electrical connection of the fuel cells can also be regulated or controlled, i.e. whether a certain number of fuel cells are connected in parallel or in series, for example depending on the required electrical voltage or current.
  • the heat generated during operation of the fuel cell(s) is used, for example by dissipating and using or storing the heat via suitable solid or fluid heat conductors, preferably also via one or more heat exchangers.
  • the energy supply system according to the invention can in particular also be designed such that the hydrogen usage unit is a combined heat and power plant.
  • hydrogen is used to generate electricity, for example as fuel in an internal combustion engine, while at the same time the resulting heat is used, for example for heating purposes or for hot water preparation.
  • the hydrogen utilization unit can also be an engine that performs mechanical work by producing a form of energy of hydrogen, e.g. B. thermal, pneumatic or chemical energy, for example as an internal combustion engine converts kinetic energy.
  • B. thermal, pneumatic or chemical energy for example as an internal combustion engine converts kinetic energy.
  • excess heat can be used, for example dissipated and used or stored.
  • the energy supply system can also be designed in such a way that several hydrogen usage units can be provided in parallel or in series in the combination.
  • a hydrogen storage device can be connected to the hydrogen generation unit for the supply of hydrogen and can itself serve as a supplier for an energy generation device, i.e. be interposed.
  • further functional units can be part of the energy supply system, for example a dryer unit for drying the hydrogen produced before it is used, for example for storage or chemical recycling.
  • the hydrogen generation unit is also operated with electrical energy, in particular from renewable energies, it can be advantageous to connect a buffer storage, preferably a chargeable battery, upstream of the hydrogen generation unit.
  • a buffer storage preferably a chargeable battery
  • the buffer memory is preferably set up for communication with the control or regulating unit. The buffer storage or battery can be fed from the hydrogen usage unit if necessary.
  • the energy supply system according to the invention can also be designed in such a way that at least one unit for an uninterruptible power supply (UPS unit) is provided. This can be used to bridge a temporary power failure. In the event of a power outage lasting longer than a defined period of time, the UPS unit can be used to ensure that the system is shut down in a controlled manner by the control unit.
  • UPS unit can also be provided at an interface from the system according to the invention to a consumer of a power supply offered by the system, for example a property. In this case, the UPS unit protects the consumer.
  • Components of the energy supply system that generate heat during operation for example the hydrogen production unit(s), e.g. electrolysis unit(s), or the hydrogen usage unit(s), such as the fuel cell(s), can be used as heat source(s). for other components of the system, for example for an adsorption refrigeration machine. The latter can be used, for example, for air conditioning in building complexes.
  • the heat can also be stored in heat storage, such as liquid storage or solid storage, for later use.
  • a heat storage can also be integrated as a module in the energy supply system.
  • the system as a whole or in parts is operated adiabatic.
  • the energy supply system according to the invention can also be supplied with energy, for example electricity or heat, from outside.
  • energy for example electricity or heat
  • the energy supply system according to the invention has its own secondary energy source as a modular component, which supplies the generated secondary energy directly or indirectly to the hydrogen production unit.
  • the secondary energy source is preferably a power generator, for example a photovoltaic system, a wind turbine or a hydroelectric power system. This means that the energy supply system according to the invention can be designed for self-sufficient operation, that is, independently of the supply of secondary energy generated outside the energy supply system.
  • the control or regulation unit can be set up so that the system is shut down in a controlled manner when specified conditions are met, e.g. if the public network fails and a shutdown becomes necessary, for example in accordance with VDE 4105-AR 2018.
  • the control and regulation unit can be set up in such a way that an emergency supply for the customers is guaranteed at least for a predetermined period of time and priorities in energy management are provided for components of the system depending on needs.
  • control or regulation unit can be set up so that changes to the energy supply system, in particular expansions or reductions, can be made, with the control or regulation unit also being able to be used to control or regulate a module that is integrated into the system for expansion or is put into operation and when downsizing by removing or deactivating a module, the control or regulation for the remaining modules remains undisturbed or is adjusted if necessary.
  • Extensions can be provided, for example, by additional hydrogen production units, such as electrolysis devices, or additional hydrogen usage units, such as hydrogen storage or fuel cells. In this way, the entire energy supply system is scalable.
  • the use of a plurality of small hydrogen storage units is particularly preferred, which can be advantageous for scalability and filling speed.
  • the individual hydrogen storage unit can have a capacity of less than 6T, preferably less than 3T.
  • All modules or a partial number of modules of the energy supply system can preferably be spatially combined in a module unit, more preferably with an enclosure.
  • the module aggregate can be designed to be transportable.
  • the module unit and/or the modules preferably have standard dimensions, for example dimensions of freight containers, so that delivery or a change of location of an energy supply system that is preferably pre-assembled in the module unit is possible. Standardization of the modules and/or the module assembly facilitates adaptation, in particular an expansion of the energy supply system, to local conditions or changes to the requirements of the energy supply system.
  • the control or regulating unit controls or regulates the hydrogen production unit and the hydrogen usage unit in a coordinated manner with predetermined parameters.
  • the regulation and control unit preferably also takes into account parameters of other units or boundary conditions, e.g. data from the secondary energy source, the level of availability of starting materials for hydrogen production and/or the needs of consumers connected to the energy supply system.
  • the control or regulation unit is preferably designed to be open so that the system can be expanded using additional modules.
  • the system can therefore be constructed in a modular manner and, if necessary, expanded or reduced in capacity and/or in applications and uses.
  • An expansion can be done, for example, by adding a new module or (re)commissioning or activating an already connected module, e.g. an additional secondary source and/or an additional hydrogen generation unit, such as a fuel cell and/or a plasma lyser, and/or an additional hydrogen usage unit , such as a hydrogen storage unit, a fuel cell and/or a combined heat and power plant, or a dryer unit, a UPS unit, an adsorption refrigeration machine or any other additional modules.
  • a reduction means removing a module from the power system or deactivating a module physically remaining in the power system.
  • this module when the energy supply system is expanded by adding or activating a module, this module is integrated into the coordinated control or regulation and / or when a module is removed or inactivated from operation, the coordinated control or regulation of the remaining active modules is automatically adjusted becomes. For example, if a hydrogen storage unit has to be removed from the energy supply system, for example for maintenance or repair purposes, the activity of the hydrogen production unit(s) can be automatically reduced and/or the consumption of another hydrogen usage unit can be increased in response to the reduced total storage capacity .
  • the technical problem is also solved by a method according to claim 25, according to which the following steps are provided for setting up a modular energy supply system: a) determining a possible primary energy source as well as an energy requirement and / or a power requirement, b) selecting a primary energy source for the determined primary energy source and for the Secondary energy source suitable for energy or power requirements, c) assembly and assembly of a hydrogen production unit and a hydrogen usage unit, and d) provision and setup of a control or regulation unit for the coordinated control or regulation of the hydrogen production unit and the hydrogen usage unit.
  • an energy supply system according to the invention shown above can be designed with comprehensive consideration of the needs and parameters.
  • Renewable resources are preferably used as primary energy sources, such as sun, wind, water and tidal energy, geothermal energy or biomass.
  • Secondary energy sources are devices and measures that convert the energy that can be taken from primary energy sources into technically usable forms of energy, in particular electricity or heat, preferably photovoltaic systems, wind turbines, hydroelectric and tidal power plants, geothermal systems or systems for the use of biomass.
  • the method according to the invention for setting up a modular energy supply system can also be carried out in such a way that further modules are integrated into the energy supply system, thereby including integration into the control or regulation of the control or regulation unit.
  • Example modules are a further hydrogen production unit, a further hydrogen usage unit, a dryer unit for the hydrogen produced, and/or a raw material storage for a raw material for hydrogen production, for example wastewater, rainwater and/or drinking water.
  • a use of the energy supply system according to the invention is the formation of a local energy supply or the support of a local energy supply.
  • the energy supply can be the supply of, for example, electrical energy, thermal energy and/or hydrogen as fuel. Preferred This is a self-sufficient energy supply, i.e. independent of external suppliers.
  • the use according to the invention can be advantageous in the formation of an emergency power system or an emergency power generator, which can ensure security of supply in the event of a temporary failure by an external energy supplier.
  • load peak capping also called peak shaving
  • load peak capping a consumer quickly and briefly reduces their power consumption in order not to cause unwanted load peaks.
  • the system according to the invention can be switched on to the external energy supply, for example by using a hydrogen usage unit and/or a battery module present in the system.
  • the use according to the invention preferably relates to the energy supply of a property.
  • the integration of the system according to the invention into the building management can also be advantageous.
  • the use according to the invention can advantageously relate to the energy supply to a charging point for battery-operated units, e.g. vehicles.
  • the use according to the invention can preferably also provide that at least a portion of the electricity generated by the system is fed into the public network. This allows reimbursement to be achieved and a contribution to the stability of the public network.
  • wastewater can be used as a starting material for the hydrogen production unit, e.g. after treatment for electrolysis or without or with less treatment for plasmalysis.
  • Fig. 1 schematically a first modular energy supply system 1 and
  • Fig. 2 schematically a compact module unit made up of modules of a second energy supply system with a further module of a refrigeration machine connected to it.
  • Fig. 1 shows schematically a first modular energy supply system 1 with a hydrogen production unit 2 as a first module, a first hydrogen use unit 3 as a second module and a control or regulation unit 4 as a third module, which is wireless (symbolized with antenna symbol 5). is connected to the hydrogen production unit 2 and the hydrogen use unit 3. Alternatively, a wire connection is also possible.
  • Electrolysis is the preferred process used for the hydrogen production unit 2.
  • Alternative processes such as plasmalysis or pyrolysis, or combinations of different processes are also conceivable. Different processes can be used in the same energy supply system.
  • electrolysis a large number of electrolyzers (not shown here) can be used, with which a high throughput can be achieved, but which also allows one to react flexibly, for example to fluctuations in demand, and to limit the number of electrolyzers currently in use by means of the regulating or control unit 4 to reduce or increase.
  • fuel cell technology is preferably used to generate electrical power, preferably in a large number of individual fuel cells, not shown here.
  • the number of fuel cells required during operation can vary and can be determined via the control or regulating unit 4, for example depending on the amount of hydrogen available or the needs of one or more consumers.
  • the hydrogen production unit 2 is made from a secondary energy source 7, which is preferably a photovoltaic system, a wind turbine and/or another system that uses renewable primary energy, with the energy necessary for hydrogen production, for example electrical power. supplied via a first energy supply line 8.
  • the secondary energy source 7 can be a module of the energy supply system 1 or can be arranged externally, for example in public Network.
  • the energy supply system 1 can alternatively or additionally also be fed from secondary energy sources that use non-renewable primary energies.
  • the starting material required for hydrogen production e.g. water, drinking water, rainwater or wastewater
  • a starting material supply line 9 from a starting material source 10 designed, for example, as a storage unit.
  • the starting material source 10 is also a module of the energy supply system 1.
  • a buffer storage 11 for the energy supplied by the secondary energy source 7 can preferably be provided as a further optional module, so that fluctuations in the supply of energy to the hydrogen production unit 2 or in the demand of the hydrogen production unit 2 can be compensated for.
  • the buffer storage 11 is connected to the hydrogen generation unit 2 with a second energy supply line 12. If the energy to be supplied is electrical current, the buffer storage 11 can be a battery storage.
  • the buffer storage 11 can also be connected to the fuel cell and fed by it.
  • a hydrogen storage 13 is preferably used as the second hydrogen usage unit, which is supplied with hydrogen from the hydrogen production unit 2 via an H2 storage input line 14. If necessary, the hydrogen storage 13 supplies the first hydrogen usage unit 3 with hydrogen via an H2 storage output line 15.
  • the supply of the first hydrogen usage unit 3 via the hydrogen storage 13 and/or directly from the hydrogen production unit 2 is preferred via the control or regulation unit 4 depending on the needs of the first hydrogen usage unit 3 and on the utilization of the hydrogen production unit 2 controlled or regulated.
  • the energy supply system 1 can be used to supply a single consumer or a large number of consumers of different types. Symbolically, an electrical consumer 16 is shown in FIG. 1, which is supplied with electrical power via a first power line 17 from the first hydrogen usage unit 3. If necessary, the electrical consumer 16 can alternatively or additionally be supplied directly from the buffer storage 11 via a second power line 18.
  • heat generated during operation at the hydrogen production unit 2 and/or at the first hydrogen use unit 3 is supplied to a heat consumer 20 via heat pipes 19, preferably via a fluid heat transfer medium.
  • the waste heat can be supplied as an alternative or in addition to supplying a refrigeration machine 21, for example an adsorption refrigeration machine.
  • Further modules not shown in the figures can be used, such as a dryer unit for drying the hydrogen produced before storage or before any other use, in particular in a fuel cell.
  • a combined heat and power plant can be used instead of fuel cells or in addition to them.
  • the availability of a primary energy source such as sun, wind, hydropower, geothermal energy and/or biomass, is first checked and the need for energy to be generated by the energy supply system is determined.
  • a suitable secondary energy source or, optionally, at least two secondary energy sources, of which different types can be used in the same energy supply system are determined.
  • the modules are preferably selected and assembled and the control and regulation unit is suitably set up so that the modules are controlled or regulated in a coordinated manner during operation.
  • the modules can advantageously be pre-assembled and assembled by the manufacturer and preferably also arranged in module housings in a fixed location relative to one another.
  • the energy supply unit can be delivered prefabricated as a whole or assembled at the delivery site as in a modular system.
  • a device for explosion protection can be provided.
  • Fig. 2 shows schematically a module assembly 22, which has central modules of a second exemplary energy supply system, with functional units of the modules themselves not being visible, but only several module housings assembled to form a module assembly in which the functional units are arranged.
  • An electrolysis unit which is not visible here, is housed in a first module housing 23 and a power generation unit with fuel cells, which is also not visible, is housed in a second module housing 24.
  • a third module housing 25 preferably has means for transferring the hydrogen generated by the electrolysis unit to the fuel cells located in the second module housing 24.
  • a hydrogen storage device (not visible here) is preferably arranged in the third module housing 25.
  • a fourth module housing 26 preferably relates to the power supply for the electrolysis unit and preferably has a buffer storage not visible here, for example in the form of a battery storage.
  • the fourth module housing can also have other equipment without a buffer storage, for example means for a power connection for the electrolysis unit.
  • a control unit (not shown in FIG. 2) is also advantageously arranged in the module unit 22, for example in the fourth module housing 26.
  • Each of the module housings 23 to 26 can have several modules of the second energy supply system.
  • Connections for the supply of energy, in particular electrical power, and/or starting materials, in particular water, can be provided or attached in the module unit, preferably standardized in design and arrangement.
  • Fig. 2 shows a fifth module housing 27, which houses a refrigeration machine not visible here, preferably an adsorption refrigeration machine.
  • the refrigeration machine is supplied with waste heat from both the fuel cells located in the second module housing 24 and the electrolysis unit located in the first module housing 23 via heat pipes 28.
  • the module assembly can also be implemented by a single housing that encloses all or a portion of the modules.
  • the module unit and/or the module housings preferably have standard dimensions, for example dimensions of freight containers. In addition to transport, this simplifies the composition of the entire energy supply system and its expansion with additional modules or module units.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem mit einer modularen Kombination aus einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit, einer Wasserstoff-Verwendungseinheit und einer Steuer- oder Regeleinheit zur Steuerung oder Regelung des Betriebs der Wasserstoff- Erzeugungseinheit und der Wasserstoff-Verwendungseinheit.

Description

Energieversorgungssystem, Verfahren zum Aufbau eines Energieversorgungssystems sowie Verwendung des Energieversorgungssystems"
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem, ein Verfahren zum Aufbau eines modularen Energieversorgungssystems, ein Verfahren zum Betrieb sowie eine Verwendung des Energieversorgungssystems und dessen Elemente.
In den vergangenen Jahrzehnten ist der Anteil von erneuerbaren Energien in der weltweiten Energiebilanz stetig gestiegen. Ein zentrales technisches Problem im Zusammenhang mit dem zunehmenden Einsatz der erneuerbaren Energien liegt in der Synchronisierung von Produktion und Bedarf und damit in der Effizienz von Speicherung, Transport und Verteilung. Eine bekannte Möglichkeit, erzeugte Energie zu speichern, liegt in der Umsetzung in Wasserstoff. Dies erlangt dort zunehmend an Bedeutung, wo die Primärenergiequellen zeitlichen Schwankungen unterliegen, wie bei der Solar- und Windenergie. Gleichzeitig werden aber auch Alternativen zum Erdgas und anderen Brennstoffen immer wichtiger, so dass auch hier der Wasserstoff eine zunehmende Bedeutung erlangt.
Der vorliegenden Patentanmeldung liegt das technische Problem zugrunde, die Nutzung von Sekundärenergiequellen zu optimieren und insbesondere ein gegenüber dem Stand der Technik effizienteres Energieversorgungssystem, ein Verfahren zum Aufbau sowie zum Betrieb dieses Energieversorgungssystems und Verwendungen des Energieversorgungssystem und deren Elemente zur Verfügung zu stellen. Das Energieversorgungssystem, die Verfahren, sowie die Verwendungen sind insbesondere im Zusammenhang mit der Nutzung erneuerbarer Energien als Primärquelle von Vorteil.
Das technische Problem wird gelöst mit einem Energieversorgungssystem umfassend eine modulare Kombination aus einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit, einer Wasserstoff-Verwendungseinheit und einer Steuer- oder Regeleinheit zur Steuerung oder Regelung des Betriebs der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff- Verwendungseinheit.
Grundgedanke der Erfindung ist es, ein modulares und universell einsetzbares Energieversorgungssystem zur Sekundarenergiespeicherung und/oder -nutzung zu schaffen, das insbesondere Anpassungen an den Bedarf bestimmter Branchen, Industrien oder anderer konkreter Bedarfe erlaubt, dabei für einen integrierten Aufbau ausgelegt sein kann und dann entsprechend gesteuert bzw. geregelt ist.
Die Kombination im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die kombinierten Einheiten miteinander in Verbindung stehen, z.B. über Stoffaustauschleitungen zur Zufuhr oder Abfuhr von Fluiden oder Feststoffen, drahtgebundenen oder drahtlosen Datenverbindungen zum Informationsaustausch und/oder
Energieübertragungsleitungen zur Übertragung von elektrischer und/oder thermischer Energie.
Das System ist modulartig aufgebaut. Die Einheiten oder Untereinheiten oder weitere zugefügte Bestandteile des Systems werden vorliegend als Module verstanden.
Soweit in der Anmeldung im Zusammenhang mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit bzw. mit der Wasserstoff-Verwendungseinheit der Singular verwendet wird, ist dies als Bezeichnung der Gattung zu verstehen, soweit sich nicht zwingend ein anderes Verständnis ergibt. So kann das System, wenn von „einer Einheit“ die Rede ist auch zwei oder mehr Wasserstoff-Erzeugungseinheiten bzw. zwei oder mehr Wasserstoff- Verwendungseinheiten aufweisen.
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit weist bevorzugt eine Elektrolyse-Vorrichtung auf, die unter Einsatz elektrischen Stromes, bevorzugt aus einer erneuerbaren Energiequelle, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Die Elektrolyse- Vorrichtung kann mit unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, z.B. unter Einsatz von lonenaustausch-Membranen, beispielsweise Anionenaustausch-Membranen (AEM), oder Protonen-Austausch-Membranen (PEM).
Die Elektrolyse-Vorrichtung weist mindestens einen Elektrolyseur, bevorzugt aber eine Vielzahl, z.B. mindestens 10, bevorzugt mindestens 50, weiter bevorzugt mindestens 100 oder mindestens 200 einzelne, jeweils für sich funktionsfähige Elektrolyseure auf. Beispielhaft kann das Elektrolyseur-System AEM Multicore® von Enapter® eingesetzt werden. Es können auch unterschiedliche Elektrolyseure, die mit unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, parallel eingesetzt werden.
Ein alternativer oder zusätzlicher Bestandteil der Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann eine Plasmalyse-Vorrichtung sein, mit der unter Einsatz elektrischen Stromes, bevorzugt aus einer erneuerbaren Energiequelle, ein Plasma erzeugt wird, welches aus Wasser, insbesondere Abwasser oder diverse Abfallprodukte aufweisendem Wasser, unter anderem Wasserstoff erzeugt. Zusätzliche Produktstoffe, welche dabei entstehen können, wie z.B. Methan, CO2, oder N2, können weiteren Verwendungen zugeführt werden.
Das erfindungsgemäße System kann auch so ausgebildet sein, dass die Wasserstoff- Erzeugungseinheit unabhängig von einer Stromquelle betrieben werden kann. Hierfür kann als alternative Variante der Wasserstoff-Erzeugungseinheit eine Pyrolyse- Vorrichtung vorgesehen sein. Als weiteres Produkt kann dabei fester Kohlenstoff gewonnen werden. Die erforderliche Prozesswärme wird vorzugsweise aus erneuerbaren Energien erzeugt.
Ein weiterer alternativer oder zusätzlicher Bestandteil der Wasserstoff- Erzeugungseinheit kann eine Reformierungs-Vorrichtung sein, mit der unter Einsatz von Wärme aus einem fossilen Energieträger, insbesondere Methan und unter Zugabe von Wasser, Wasserstoff erzeugt wird. Als weiteres Produkt kann CO2 gewonnen werden, welches weiteren Verwendungen zugeführt werden kann. Die erforderliche Prozesswärme wird vorzugsweise aus erneuerbaren Energien erzeugt.
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann mit einer einzigen Art der vorgenannten Vorrichtungen, also entweder mit mindestens einer Elektrolyse-Vorrichtung oder mindestens einer Plasmalyse-Vorrichtung oder mindestens einer Pyrolyse-Vorrichtung oder mindestens einer Reformierungs-Vorrichtung betrieben werden. In der Wasserstoff- Erzeugungseinheit können aber auch verschiedene Arten der vorgenannten Vorrichtungen miteinander kombiniert eingesetzt werden, so dass eine Wasserstoff- Erzeugungseinheit z.B. sowohl mindestens eine Elektrolyse-Einheit als auch mindestens eine Plasmalyse-Vorrichtung umfasst. So kann die Anlage verschiedene Ausgangsstoffe als Wasserstoffquelle nutzen, z.B. gereinigtes Wasser für die Elektrolyse- Vorrichtung(en), Abwasser für die Plasmalyse-Vorrichtung(en), Methan für die Pyrolyse- Vorrichtung(en) und Methan und Wasser für die Reformierungs-Vorrichtung(en). Mittels der Steuer- oder Regeleinheit kann die Verteilung unterschiedlicher Ausgangsstoffe auf die jeweils passenden Wasserstoff-Erzeugungseinheiten gesteuert oder geregelt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Mengen der Ausgangsstoffe, der Verfügbarkeit der jeweiligen Wasserstoff-Erzeugungseinheiten und/oder dem Bedarf von Wasserstoff-Verwendungseinheiten.
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann als eine lokal zusammenhängende Einheit vorgesehen werden. Es ist allerdings auch möglich, dass sich die Wasserstoff- Erzeugungseinheit aus mindestens zwei Wasserstoff-Erzeugungsuntereinheiten zusammensetzt, die räumlich voneinander beabstandet sind, wobei jede der Wasserstoff-Erzeugungsuntereinheiten allein eine bestimmte Art der vorgenannten Vorrichtungen oder eine Kombination hiervon aufweisen kann.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann für jeden Ausgangsstoff, wie z.B. Wasser, Abwasser oder Methan, einen Ausgangsstoff-Speicher aufweisen, z.B. in Form eines oder mehrerer Tanks. Im erfindungsgemäßen System ist der Ausgangsstoff- Speicher mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit für die Zufuhr des Ausgangsstoffes verbunden oder verbindbar. Durch die Steuer- oder Regeleinheit kann die Zufuhr und Abfuhr automatisierbar gesteuert oder geregelt werden, z.B. über steuerbare oder regelbare Ventile.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann so ausgebildet sein, dass als Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Wasserstoffspeicher vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Wasserstoffspeicher ein Gasspeicher, vorzugsweise ein Niederdruckspeicher mit einem Maximaldruck des gespeicherten Wasserstoffs von bevorzugt 60 bar, weiter bevorzugt 50 bar. Eine Speicherung ist auch in einem Hochdruckgasspeicher denkbar. Der Wasserstoff kann auch verflüssigt und anschließend in flüssiger Form gespeichert werden.
Der Wasserstoffspeicher kann aber auch ein Feststoffspeicher, z.B. ein Metallhydrid- Speicher, ein adsorptiver Speicher und/oder ein chemischer Speicher unter Ausnutzung einer chemischen Bindung des Wasserstoffs an einen Trägerstoff sein. Ein solcher Trägerstoff kann z.B. Magnesium oder eine Magnesiumverbindung, Magnesia (Magnesiumcarbonat, Magnesiumoxid oder Mangandioxid), CO2 zur Bildung von Ameisensäure oder ein flüssiger organischer Trägerstoff (LOHC) sein.
Der Wasserstoffspeicher kann auf eine der vorgenannten Varianten beschränkt sein. Die vorbeschriebenen Varianten und auch weiter hier nicht aufgeführte Varianten für einen Wasserstoffspeicher können aber auch miteinander kombiniert eingesetzt werden, so dass eine Wasserstoff-Verwendungseinheit z.B. mindestens zwei verschiedene Wasserstoffspeichervarianten umfasst. Mittels der Steuer- oder Regeleinheit kann der von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit erzeugte Wasserstoff je nach Bedarf unterschiedlichen Wasserstoffspeichern zugeführt werden. Der Wasserstoffspeicher oder mindestens einer der Wasserstoffspeicher kann Teil einer Abgabeeinrichtung für Wasserstoff aufweisen, z.B. als Bestandteil einer Tankstelle, an der beispielsweise Fahrzeuge betankt werden können. Die Abgabeeinrichtung kann auch Teil einer Industrieanlage oder eines Wohn- oder Bürokomplexes oder einer sonstigen Liegenschaft sein oder mit anderen Verbrauchseinheiten, z.B. einem Blockheizkraftwerk, verbunden sein.
Erfindungsgemäß kann das Energieversorgungssystem als Wasserstoff- Verwendungseinheit eine H2 -Abgabeschnittstelle aufweisen, z.B. einen Anschluss für eine Pipeline oder für eine Verteilstelle für Wasserstoff.
Die Wasserstoff-Verwendungseinheit kann auch eine Energieerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie sein. Bevorzugt umfasst die Energieerzeugungsvorrichtung mindestens eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle weist einen Anschluss zur Abnahme der erzeugten elektrische Energie auf. Mögliche Abnehmer für die elektrische Energie können z.B. elektrische Verbraucher oder eine oder mehrere Batterien, aber auch das Energieversorgungssystem oder Teile davon sein.
Bevorzugt wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen eingesetzt, die vorzugsweise parallel mit Wasserstoff versorgt werden und elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Mittels der Steuer- oder Regeleinheit kann die pro Zeiteinheit an die Brennstoffzelle gelieferte Wasserstoffmenge gesteuert bzw. geregelt werden. Bei einer Vielzahl von Brennstoffzellen kann des Weiteren die Art der elektrischen Verschaltung der Brennstoffzellen geregelt oder gesteuert werden, ob also eine bestimmte Anzahl von Brennstoffzellen parallel oder in Reihe geschaltet werden, z.B. in Abhängigkeit von der benötigten elektrischen Spannung oder Stromstärke.
Vorzugsweise wird die beim Betrieb der Brennstoffzelle(n) entstehende Wärme genutzt, z.B. indem die Wärme über geeignete feste oder fluide Wärmeleiter, vorzugsweise auch über einen oder mehrere Wärmetauscher, abgeführt und genutzt oder gespeichert wird.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann insbesondere auch so ausgebildet sein, dass die Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Blockheizkraftwerk ist. Im Blockheizkraftwerk wird der Wasserstoff zum Antrieb für eine Stromerzeugung eingesetzt, z.B. als Brennstoff eines Verbrennungsmotors, wobei gleichzeitig die entstehende Wärme, z.B. zu Heizzwecken oder zur Warmwasserbereitung, genutzt wird.
Die Wasserstoff-Verwendungseinheit kann auch eine Kraftmaschine sein, die mechanische Arbeit verrichtet, indem sie eine Energieform des Wasserstoffs, z. B. thermische, pneumatische oder chemische Energie, z.B. als Verbrennungsmotor, in Bewegungsenergie umsetzt. Auch hierbei kann überschüssige Wärme genutzt, z.B. abgeführt und genutzt oder gespeichert werden.
Erfindungsgemäß kann das Energieversorgungssystem auch so ausgebildet sein, dass mehrere Wasserstoff-Verwendungseinheiten parallel oder auch in Reihe in der Kombination vorgesehen sein können. So kann ein Wasserstoffspeicher zur ersorgung mit Wasserstoff an der Wasserstoff- Erzeugungseinheit angeschlossen sein und selbst als Versorger für eine Energieerzeugungsvorrichtung dienen, also zwischengeschaltet sein.
Des Weiteren können weitere funktionale Einheiten Bestandteil des Energieversorgungssystems sein, z.B. eine Trocknereinheit zur Trocknung des erzeugten Wasserstoffes, bevor dieser einer Verwendung, z.B. Speicherung oder einer chemischen Verwertung, zugeführt wird.
Soweit die Wasserstoff-Erzeugungseinheit auch mit elektrischer Energie, insbesondere aus erneuerbaren Energien, betrieben wird, kann es vorteilhaft sein, der Wasserstoff- Erzeugungseinheit einen Pufferspeicher, vorzugsweise eine beladbare Batterie, vorzuschalten. Auf diese Weise können Leistungsschwankungen auf Seiten der Energiequelle, z.B. einer Photovoltaik-Anlage oder einer Windkraft-Anlage ausgeglichen werden. Der Pufferspeicher ist bevorzugt zur Kommunikation mit der Steuer- oder Regeleinheit eingerichtet. Der Pufferspeicher bzw. die Batterie kann bei Bedarf aus der Wasserstoffverwendungseinheit gespeist werden.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann auch so ausgebildet sein, dass mindestens ein Aggregat zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV-Aggregat) vorgesehen ist. Ein zeitlich begrenzter Ausfall der Stromversorgung kann damit überbrückt werden. Im Falle einer eine definierte Zeitspanne überschreitenden Dauer des Stromausfalls kann mit dem USV-Aggregat ein von der Steuer- oder Regeleinheit kontrolliertes Herunterfahren des Systems gewährleistet werden. Ein USV-Aggregat kann auch an einer Schnittstelle vom erfindungsgemäßen System zu einem Verbraucher einer vom System angebotenen Stromversorgung, zum Beispiel einer Liegenschaft, vorgesehen werden. In diesem Fall schützt das USV-Aggregat den Verbraucher.
Bestandteile des Energieversorgungssystems, welche im Betrieb Wärme entwickeln, beispielsweise die Wasserstoff-Erzeugungseinheit(en), z.B. Elektrolyse-Einheit(en), oder die Wasserstoff-Verwendungseinheit(en), wie z.B. die Brennstoffzelle(n), können als Wärmequelle(n) für weitere Bestandteile des Systems dienen, z.B. für eine Adsorptionskältemaschine. Letztere kann z.B. zur Klimatisierung in Gebäudekomplexen dienen. Die Wärme kann auch in Wärmespeichern, z.B. Flüssigspeichern oder Feststoffspeichern, für spätere Verwendungen gespeichert werden. Ein Wärmespeicher kann ebenfalls als Modul im Energieversorgungssystem integriert werden. Vorzugsweise wird das System als Ganzes oder in Teilen adiabatisch betrieben.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann zwar auch von außen mit Energie, beispielsweise Strom oder Wärme, versorgt werden. Jedoch kann es vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem eine eigene Sekundärenergiequelle als modularen Bestandteil aufweist, die die erzeugte Sekundärenergie unmittelbar oder mittelbar der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zuzuführt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Sekundärenergiequelle um einen Stromerzeuger, beispielsweise eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage oder eine Wasserkraftanlage. Damit kann das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem für einen autarken Betrieb, das heißt, unabhängig von der Zufuhr außerhalb des Energieversorgungssystem erzeugter Sekundärenergie ausgelegt werden.
Die Steuer- oder Regeleinheit kann so eingerichtet sein, dass das System kontrolliert heruntergefahren wird, wenn vorgegebene Bedingungen erfüllt sind, z.B. wenn das öffentliche Netz ausfällt und ein Herunterfahren z.B. gemäß VDE 4105-AR 2018 erforderlich wird. Für das kontrollierte Herunterfahren kann die Steuer- und Regeleinheit derart eingerichtet sein, dass zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum eine Notversorgung der Abnehmer gewährleistet ist und Prioritäten im Energiemanagement für Bestandteile des Systems bedarfsabhängig vorgesehen sind.
Des Weiteren kann die Steuer- oder Regeleinheit so eingerichtet sein, dass Änderungen des Energieversorgungssystem, insbesondere Erweiterungen oder Verkleinerungen, vorgenommen werden können, wobei die Steuer- oder Regeleinheit auch zur Steuerung oder Regelung eines zur Erweiterung in das System integrierten oder in Betrieb gesetzten Moduls einsetzbar ist und bei einer Verkleinerung durch Entfernen oder Inaktivieren eines Moduls die Steuerung oder Regelung für die verbleibenden Module ungestört bleibt oder bei Bedarf angepasst wird. Erweiterungen können z.B. durch zusätzliche Wasserstoff-Erzeugungseinheiten, wie z.B. Elektrolyse-Vorrichtungen, oder zusätzliche Wasserstoff-Verwendungseinheiten, wie z.B. Wasserstoffspeicher oder Brennstoffzellen, gegeben sein. Auf diese Weise ist das gesamte Energieversorgungssystem skalierbar. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Mehrzahl kleiner Wasserstoffspeichereinheiten, was für die Skalierbarkeit und Füllgeschwindigkeit vorteilhaft sein kann. Dabei kann die einzelne Wasserstoffspeichereinheit eine Kapazität von kleiner als 6T, bevorzugt kleiner als 3T aufweisen.
Sämtliche Module oder eine Teilanzahl der Module des Energieversorgungssystem können vorzugsweise in einem Modulaggregat, weiter vorzugsweise mit einer Einhausung, räumlich zusammengefasst werden. Das Modulaggregat kann transportabel ausgestaltet werden. Das Modulaggregat und/oder die Module haben vorzugsweise Standardmaße, zum Beispiel Maße von Frachtcontainern, so dass eine Lieferung oder ein Ortswechsel eines vorzugsweise im Modulaggregat vorkonfektionierten Energieversorgungssystems möglich ist. Eine Standardisierung der Module und/oder des Modulaggregats erleichtert eine Anpassung, insbesondere eine Erweiterung des Energieversorgungssystems, an örtliche Gegebenheiten oder Änderungen an den Anforderungen an das Energieversorgungssystem.
Hinsichtlich des Verfahrens wird das technische Problem durch die Merkmale des Anspruchs 23 gelöst. Die Steuer- oder Regeleinheit steuert oder regelt mit vorgegebenen Parametern die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und die Wasserstoff- Verwendungseinheit in aufeinander abgestimmter Weise. Vorzugsweise berücksichtigt die Regel- und Steuereinheit auch Parameter weiterer Einheiten oder Randbedingungen, z.B. Daten der Sekundärenergiequelle, das Maß der Verfügbarkeit von Ausgangsstoffen für die Wasserstofferzeugung und/oder den Bedarf von an das Energieversorgungssystem angeschlossenen Verbrauchern.
Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise offen gestaltet für eine Erweiterung des Systems mittels weiterer Module. Das System kann somit modulartig aufgebaut und bei Bedarf in der Kapazität und/oder in den Anwendungen und Verwendungen erweitert oder reduziert werden. Eine Erweiterung kann z.B. durch Neuaufnahme eines Moduls oder (erneuter) Inbetriebnahme oder Aktivierung eines bereits angeschlossenen Moduls, z.B. einer zusätzlichen Sekundärquelle und/oder einer zusätzlichen Wasserstoff- Erzeugungseinheit, wie einer Brennstoffzelle und/oder eines Plasmalysators, und/oder einer zusätzlichen Wasserstoff-Verwendungseinheit, wie eines Wasserstoffspeichers, einer Brennstoffzelle und/oder eines Blockheizkraftwerks, oder einer Trocknereinheit, eines USV-Aggregats, einer Adsorptionskältemaschine oder beliebiger weiterer Zusatzmodule gegeben sein. Umgekehrt bedeutet eine Reduzierung das Herausnahmen eines Moduls aus dem Energieversorgungssystem oder das Inaktivieren eines physisch im Energieversorgungssystem verbleibenden Moduls.
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einer Erweiterung des Energieversorgungssystems durch Aufnahme oder Aktivierung eines Moduls dieses Modul in die abgestimmte Steuerung oder Regelung integriert wird und/oder bei Herausnahme oder Inaktivierung eines Moduls aus dem Betrieb die abgestimmte Steuerung oder Regelung der verbleibenden aktiven Module automatisiert angepasst wird. Muss zum Beispiel ein Wasserstoffspeicher aus dem Energieversorgungssystem entfernt werden, zum Beispiel zu Wartungs- oder Reparaturzwecken, kann als Reaktion auf die reduzierte Gesamtspeicherkapazität automatisiert die Aktivität der Wasserstoff- Erzeugungseinheit(en) reduziert und/oder der Verbrauch an einer anderen Wasserstoff- Verwendungseinheit erhöht werden. Das technische Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 25, wonach zum Aufbau eines modularen Energieversorgungssystems folgende Schritte vorgesehen sind: a) Ermittlung einer möglichen Primärenergiequelle sowie eines Energiebedarfs und/oder eines Leistungsbedarfs, b) Auswahl einer für die ermittelte Primärenergiequelle und für den Energie- oder Leistungsbedarf geeigneten Sekundärenergiequelle, c) Zusammenstellung und Konfektionierung einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit und einer Wasserstoff-Verwendungseinheit, und d) Bereitstellung und Einrichtung einer Steuer- oder Regeleinheit zur aufeinander abgestimmten Steuerung oder Regelung der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff-Verwendungseinheit.
Auf diese Weise kann zum Beispiel ein oben dargestelltes erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem unter umfassender Berücksichtigung der Bedarfe und Parameter gestaltet werden.
Als Primärenergiequellen werden bevorzugt erneuerbare Ressourcen eingesetzt, wie zum Beispiel Sonne, Wind, Wasser- und Gezeiten, Geothermie oder Biomasse.
Als Sekundärenergiequelle werden Vorrichtungen und Maßnahmen verstanden, die den aus Primärenergiequellen entnehmbare Energie in technisch nutzbare Energieformen, insbesondere Strom oder Wärme, umwandeln, vorzugsweise Photovoltaikanlagen, Windkrafträder, Wasser- und Gezeitenkraftwerke, geothermische Anlagen oder Anlagen zur Nutzung von Biomasse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbau eines modularen Energieversorgungssystems kann auch so ausgeführt werden, dass weitere Module in das Energieversorgungssystem integriert werden, wobei damit eine Integration in die Steuerung oder Regelung der Steuer- oder Regeleinheit eingeschlossen ist. Beispielhafte Module sind eine weitere Wasserstoff-Erzeugungseinheit, eine weitere Wasserstoff-Verwendungseinheit, eine Trocknereinheit für den erzeugten Wasserstoff, und/oder ein Ausgangsstoff-Speicher für einen Ausgangsstoff für die Wasserstofferzeugung, zum Beispiel Abwasser, Regenwasser und/oder Trinkwasser.
Eine erfindungsgemäße Verwendung des Energieversorgungssystems ist die Ausbildung einer lokalen Energieversorgung oder die Unterstützung einer lokalen Energieversorgung. Die Energieversorgung kann die Versorgung mit z.B. elektrischer Energie, thermischer Energie und/oder mit Wasserstoff als Brennstoff sein. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine autarke, also von der Einspeisung externer Versorger unabhängige Energieversorgung.
Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Verwendung die Ausbildung einer Netzersatzanlage oder eines Notstromaggregats sein, womit die Versorgungssicherheit im Falle eines zeitweisen Ausfalls durch einen externen Energieversorgers gewährleistet werden kann.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Lastspitzenkappung, auch Peak Shaving genannt. Mit der Lastspitzenkappung reduziert ein Verbraucher kurzfristig und schnell seinen Stromverbrauch, um keine unerwünschte Lastspitze zu verursachen. Um einen solchen Lastabwurf ohne eine mit unerwünschten Einschränkungen verbundene Drosselung des Verbrauchs realisieren zu können, kann das erfindungsgemäße System der externen Energielieferung zugeschaltet werden, z.B. durch Nutzung einer Wasserstoff-Verwendungseinheit und/oder eines im System vorhandenen Batteriemoduls.
Bevorzugt betrifft die erfindungsgemäße Verwendung die Energieversorgung einer Liegenschaft. Vorteilhaft kann auch die Einbindung des erfindungsgemäßen Systems in das Gebäudemanagement sein. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Verwendung vorteilhaft die Energieversorgung einer Ladestelle für batteriebetriebene Einheiten, z.B. Fahrzeuge, betreffen.
Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Verwendung auch vorsehen, dass zumindest ein Anteil des mit dem System erzeugten Stroms in das öffentliche Netz eingespeist wird. Hierdurch kann eine Rückvergütung erreicht werden und ein Beitrag zur Stabilität des öffentlichen Netz geleistet werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung des Systems zur Speicherung und Nutzung von Sekundärenergie ist die Abwassernutzung. Das Abwasser kann als Ausgangsstoff für die Wasserstoff-Erzeugungseinheit genutzt werden, z.B. nach einer Aufbereitung für die Elektrolyse oder ohne oder mit geringerer Aufbereitung für die Plasmalyse.
Im Folgenden sind beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems, des Verfahrens zum Aufbau eines Energieversorgungssystems sowie des Betriebs eines Energieversorgungssystems und Verwendungen anhand von Figuren dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 : schematisch ein erstes modulares Energieversorgungssystem 1 und
Fig. 2: schematisch ein kompaktes Modulaggregat aus Modulen eines zweiten Energieversorgungssystems mit einem daran angeschlossenen weiteren Modul einer Kältemaschine.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes modulares Energieversorgungssystem 1 mit einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 als ein erstes Modul, einer ersten Wasserstoff- Verwendungseinheit 3 als ein zweites Modul und einer Steuer- oder Regeleinheit 4 als drittes Modul, welche drahtlos (symbolisiert mit Antennenzeichen 5) mit der Wasserstoff- Erzeugungseinheit 2 und der Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 verbunden ist. Alternativ ist auch eine Drahtverbindung möglich.
Für die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 wird bevorzugt als Prozess die Elektrolyse eingesetzt. Alternative Verfahren, wie z.B. die Plasmalyse oder Pyrolyse, oder Kombinationen unterschiedlicher Prozesse sind ebenfalls denkbar. Es könne unterschiedliche Verfahren im selben Energieversorgungssystem eingesetzt werden. Im Falle der Elektrolyse kann eine hier nicht dargestellte Vielzahl von Elektrolyseuren eingesetzt werden, mit denen ein hoher Durchsatz erreicht werden kann, die es aber auch erlaubt, flexibel z.B. auf Bedarfsschwankungen zu reagieren und die Zahl der aktuell eingesetzten Elektrolyseure mittels der Regel- oder Steuereinheit 4 zu reduzieren oder zu erhöhen.
Für die Wasserstoff-Verwendungseinheit 3, welche von der Wasserstoff- Erzeugungseinheit 4 über eine Wasserstoffleitung 6 mit Wasserstoff versorgt werden kann, wird bevorzugt Brennstoffzellentechnik zur Erzeugung elektrischen Stroms eingesetzt, vorzugsweise in einer hier nicht dargestellten Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen. Die Anzahl der im Betrieb benötigten Brennstoffzellen kann variieren und kann über die Steuer- oder Regeleinheit 4 bestimmt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Menge des zur Verfügung stehenden Wasserstoffs oder des Bedarfs eines oder mehrerer Verbraucher.
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 wird aus einer Sekundärenergiequelle 7, bei der es sich bevorzugt um eine Photovoltaik-Anlage, eine Windkraftanlage und/oder eine sonstige, regenerative Primärenergien nutzende Anlage handelt, mit der für die Wasserstofferzeugung notwendigen Energie, zum Beispiel mit elektrischem Strom, über eine erste Energiezufuhrleitung 8 versorgt. Die Sekundärenergiequelle 7 kann ein Modul des Energieversorgungssystems 1 oder extern angeordnet sein, z.B. im öffentlichen Netz. Das Energieversorgungssystem 1 kann alternativ oder zusätzlich auch aus nichtregenerative Primärenergien nutzenden Sekundärenergiequellen gespeist werden.
Der für die Wasserstofferzeugung notwendige Ausgangsstoff, z.B. Wasser, Trinkwasser, Regenwasser oder Abwasser, wird ggf. nach einer Aufbereitung, über eine Ausgangsstoffzufuhrleitung 9 aus einer z.B. als Speicher ausgeführten Ausgangsstoff- Quelle 10 der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 zugeführt. Bevorzugt ist die Ausgangsstoff-Quelle 10 ebenfalls ein Modul des Energieversorgungssystems 1.
Bevorzugt kann als weiteres optionales Modul ein Pufferspeicher 11 für die von der Sekundärenergiequelle 7 gelieferte Energie vorgesehen werden, sodass Schwankungen in der Zulieferung der Energie zur Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 oder im Bedarf der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 ausgeglichen werden können. Der Pufferspeicher 11 ist mit einer zweiten Energiezufuhrleitung 12 mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 verbunden. Ist die zuzuführende Energie elektrischer Strom, kann der Pufferspeicher 11 ein Batteriespeicher sein. Der Pufferspeicher 11 kann auch mit der Brennstoffzelle verbunden sein und von dieser gespeist werden.
Bevorzugt wird als zweite Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Wasserstoffspeicher 13 eingesetzt, der von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 über eine H2- Speichereingangsleitung 14 mit Wasserstoff versorgt wird. Über eine H2- Speicherausgangsleitung 15 versorgt bei Bedarf der Wasserstoffspeicher 13 die erste Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 mit Wasserstoff. Die Versorgung der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 über den Wasserstoffspeicher 13 und/oder direkt von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 wird über die Steuer- oder Regeleinheit 4 bevorzugt in Abhängigkeit vom Bedarf der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 und von der Auslastung der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 gesteuert oder geregelt.
Mit dem Energieversorgungssystem 1 kann ein einzelner Verbraucher oder eine Vielzahl von Verbrauchern verschiedener Art versorgt werden. Symbolisch ist in Fig. 1 stellvertretend ein elektrischer Verbraucher 16 dargestellt, der über eine erste Stromleitung 17 von der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 mit elektrischem Strom versorgt wird. Bei Bedarf kann der elektrische Verbraucher 16 alternativ oder zusätzlich direkt vom Pufferspeicher 11 über eine zweite Stromleitung 18 versorgt werden.
Vorzugsweise wird an der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 und/oder an der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 im Betrieb anfallende Wärme über Wärmeleitungen 19, bevorzugt über einen fluiden Wärmeträger, einem Wärmeverbraucher 20 zugeführt. Vorzugsweise kann die Abwärme alternativ oder zusätzlich zur Versorgung einer Kältemaschine 21 , beispielsweise einer Adsorptionskältemaschine, zugeführt werden. Weitere, in den Figuren nicht gezeigte Module können eingesetzt werden, wie z.B. eine Trocknereinheit zur Trocknung des erzeugten Wasserstoffes vor der Speicherung oder vor einer sonstigen Verwendung, insbesondere in einer Brennstoffzelle. Anstelle von Brennstoffzellen oder zusätzlich dazu kann ein Blockheizkraftwerk eingesetzt werden.
Zum Aufbau der Energieversorgungseinheit 1 wird zunächst die Verfügbarkeit einer Primärenergiequelle, wie z.B. Sonne, Wind, Wasserkraft, Geothermie und/oder Biomasse geprüft, und der Bedarf an durch das Energieversorgungssystem zu erzeugende Energie ermittelt. Hierfür wird eine geeignete Sekundärenergiequelle oder optional werden mindestens zwei Sekundärenergiequellen, von der im selben Energieversorgungssystem auch unterschiedliche Arten eingesetzt werden können, bestimmt. Bevorzugt darauf angepasst werden die Module ausgewählt und konfektioniert und die Steuer- und Regeleinheit geeignet eingerichtet, so dass im Betrieb die Module aufeinander abgestimmt gesteuert oder geregelt werden.
Die Module können vorteilhaft bereits beim Hersteller vorkonfektioniert und zusammengestellt und vorzugsweise auch bereits örtlich zueinander fixiert in Modulgehäusen angeordnet werden. Im Idealfall kann die Energieversorgungseinheit als Gesamtheit vorgefertigt geliefert oder am Ort der Lieferung wie in einem Baukastensystem zusammengesetzt werden. Dabei kann eine Einrichtung für den Explosionsschutz vorgesehen sein.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Modulaggregat 22, welches zentrale Module eines zweiten beispielhaften Energieversorgungssystems aufweist, wobei Funktionseinheiten der Module selbst nicht sichtbar sind, sondern lediglich mehrere, zum Modulaggregat zusammengesetzte Modulgehäuse, in denen die Funktionseinheiten angeordnet sind. In einem ersten Modulgehäuse 23 ist eine hier nicht sichtbare Elektrolyse-Einheit und in einem zweiten Modulgehäuse 24 eine ebenfalls nicht sichtbare Energieerzeugungseinheit mit Brennstoffzellen eingehaust.
Ein drittes Modulgehäuse 25 weist bevorzugt Mittel zur Übertragung des von der Elektrolyse-Einheit erzeugten Wasserstoffes zu den im zweiten Modulgehäuse 24 befindlichen Brennstoffzellen auf. Bevorzugt ist im dritten Modulgehäuse 25 ein hier nicht sichtbarer Wasserstoffspeicher angeordnet.
Ein viertes Modulgehäuse 26 betrifft vorzugsweise die Stromzufuhr für die Elektrolyse- Einheit und weist bevorzugt einen hier nicht sichtbaren Pufferspeicher, z.B. in Form eines Batteriespeichers, auf. Das vierte Modulgehäuse kann aber auch ohne Pufferspeicher andere Gerätschaften, z.B. Mittel für einen Stromanschluss für die Elektrolyse-Einheit, aufweisen. Vorteilhaft ist im Modulaggregat 22 auch eine in Fig. 2 nicht dargestellte Steuer- oder Regeleinheit angeordnet, z.B. im vierten Modulgehäuse 26. Jedes der Modulgehäuse 23 bis 26 kann mehrere Module des zweiten Energieversorgungssystems aufweisen.
Anschlüsse für die Zufuhr von Energie, insbesondere elektrischen Strom, und/oder von Ausgangsstoffen, insbesondere Wasser, können im Modulaggregat, vorzugsweise standardisiert in Ausführung und Anordnung, vorgesehen sein oder angebracht werden.
Fig. 2 zeigt ein fünftes Modulgehäuse 27, welches eine hier nicht sichtbare Kältemaschine, vorzugsweise eine Adsorptionskältemaschine, umhaust. Die Kältemaschine wird für ihren Betrieb über Wärmeleitungen 28 mit der Abwärme sowohl der im zweiten Modulgehäuse 24 befindlichen Brennstoffzellen als auch der im ersten Modulgehäuse 23 befindlichen Elektrolyse-Einheit versorgt.
Das Modulaggregat kann auch durch ein einzelnes, sämtliche oder eine Teilanzahl der Module umhausendes Gehäuse realisiert sein.
Das Modulaggregat und/oder die Modulgehäuse haben vorzugsweise Standardmaße, zum Beispiel Maße von Frachtcontainern. Dies erleichtert neben dem Transport die Zusammensetzung des gesamten Energieversorgungssystems sowie dessen Erweiterung durch zusätzliche Module oder Modulaggregate.
Bezugszeichenliste
1 Energieversorgungssystem
2 Wasserstoff-Erzeugungseinheit
3 erste Wasserstoff-Verwendungseinheit
4 Steuer- oder Regeleinheit
5 Antenne
6 Wasserstoffleitung
7 Sekundärenergiequelle
8 Erste Energiezufuhrleitung
9 Ausgangsstoffzufuhrleitung
10 Ausgangsstoff-Quelle
11 Pufferspeicher
12 zweite Energiezufuhrleitung
13 Wasserstoffspeicher
14 H2-Speichereingangsleitung
15 H2-Speicherausgangsleitung
16 Elektrischer Verbraucher
17 erste Stromleitung
18 zweite Stromleitung
19 Wärmeleitung
20 Wärmeverbraucher
21 Kältemaschine
22 Modulaggregat
23 erstes Modulgehäuse
24 zweites Modulgehäuse
25 drittes Modulgehäuse
26 viertes Modulgehäuse
27 fünftes Modulgehäuse
28 Wärmeleitung

Claims

Patentansprüche / Schutzansprüche: Energieversorgungssystem, umfassend eine modulare Kombination aus a) einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit, b) einer Wasserstoff-Verwendungseinheit und c) einer Steuer- oder Regeleinheit zur Steuerung oder Regelung des Betriebs der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff-Verwendungseinheit. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit eine Elektrolyse-Vorrichtung aufweist. Energieversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse-Vorrichtung mindestens einen Elektrolyseur, bevorzugt mindestens 10, weiter bevorzugt mindestens 50, weiter bevorzugt mindestens 100 Elektrolyseure umfasst. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit mindestens eine Plasmalyse-Vorrichtung, mindestens eine Pyrolyse-Vorrichtung und/oder mindestens eine Reformierungs-Vorrichtung aufweist. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Ausgangsstoff-Speicher, vorzugsweise in Form eines oder mehrerer Tanks, für einen der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zuzuführenden Ausgangsstoffe, insbesondere Wasser, Abwasser oder Methan. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Wasserstoffspeicher vorgesehen ist. Energieversorgungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Verwendungseinheit als Wasserstoffspeicher mindestens einen Gasspeicher, vorzugsweise mindestens einen Niederdruckspeicher, mindestens einen Flüssiggasspeicher, mindestens einen Feststoffspeicher, vorzugsweise einen Metallhydrid-Speicher, mindestens einen adsorptiver Speicher, und/oder mindestens einen chemischer Speicher aufweist. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff-Verwendungseinheit eine H2- Abgabeschnittstelle vorgesehen ist, insbesondere ein Anschluss für eine Pipeline oder für eine Verteilstelle für Wasserstoff. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff-Verwendungseinheit eine Energieerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie vorgesehen ist. Energieversorgungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungsvorrichtung mindestens eine Brennstoffzelle, und/oder mindestens ein Blockheizkraftwerk umfasst. Energieversorgungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungsvorrichtung mindestens zwei Brennstoffzellen umfasst, wobei vorzugsweise die Brennstoffzellen parallel an eine Wasserstoffversorgung angeschlossen sind. Energieversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen mittels der Steuer- oder Regeleinheit elektrisch parallel oder in Reihe schaltbar sind. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Verwendungseinheit eine mechanische Arbeit verrichtende Kraftmaschine umfasst. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kombination mehrere Wasserstoff- Verwendungseinheiten parallel und/oder in Reihe an die Wasserstoff- Erzeugungseinheit angeschlossen sind. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Trocknereinheit zur Trocknung des erzeugten Wasserstoffes. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen der Wasserstoff-Erzeugungseinheit vorgeschalteten elektrischen Pufferspeicher, vorzugsweise eine beladbare Batterie, vorzugsweise von der Brennstoffzelle gespeist. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aggregat zur unterbrechungsfreien Stromversorgung des Energieversorgungssystems vorgesehen ist. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb Wärme entwickelnde Module des Energieversorgungssystem, insbesondere die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und/oder die Wasserstoff-Verwendungseinheit, als Wärmequellen für weitere Bestandteile dienen. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kälte erzeugende Einheit, insbesondere eine Adsorptionskältemaschine. > Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sekundärenergiequelle, wobei das Energieversorgungssystem eingerichtet ist, die mit der Sekundärenergiequelle erzeugte Sekundärenergie unmittelbar oder mittelbar der Wasserstoff- Erzeugungseinheit zuzuführen. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinheit eingerichtet ist, bei Erfüllung vordefinierter Bedingungen das Energieversorgungssystem kontrolliert herunterzufahren. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinheit eingerichtet oder einrichtbar ist,
- ein in den Betrieb des Energieversorgungssystems hinzugefügtes Modul in die abgestimmte Steuerung oder Regelung aufzunehmen und/oder
- bei Herausnahme eines Moduls aus dem Betrieb des Energieversorgungssystems automatisiert die Regelung oder Steuerung der verbleibenden aktiven Module anzupassen. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wasseraufbereitung. Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem die Steuer- oder Regeleinheit mit vorgegebenen Parametern die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und die Wasserstoff- Verwendungseinheit aufeinander abgestimmt steuert oder regelt. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei
- Aufnahme eines Moduls in den Betrieb des Energieversorgungssystems dieses Modul in die abgestimmte Steuerung oder Regelung integriert wird und/oder
- bei Herausnahme eines Moduls aus dem Betrieb die abgestimmte Steuerung oder Regelung der verbleibenden aktiven Module automatisiert angepasst wird. Verfahren zum Aufbau eines modularen Energieversorgungssystems, umfassend folgende Schritte: a) Ermittlung einer möglichen Primärenergiequelle sowie eines Energiebedarfs und/oder eines Leistungsbedarfs, b) Auswahl einer für die ermittelte Primärenergiequelle und für den Energie- oder Leistungsbedarf geeigneten Sekundärenergiequelle, c) Zusammenstellung und Konfektionierung einer Wasserstoff- Erzeugungseinheit und einer Wasserstoff-Verwendungseinheit, und d) Bereitstellung und Einrichtung einer Steuer- oder Regeleinheit zur aufeinander abgestimmten Steuerung oder Regelung der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff-Verwendungseinheit. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine Integration weiterer Module, insbesondere
- einer Trocknereinheit für den erzeugten Wasserstoff,
- eines Ausgangsstoff-Speichers für einen Ausgangsstoff für die Wasserstofferzeugung,
- eines der Wasserstoff-Erzeugungseinheit vorgeschalteten elektrischen Pufferspeichers,
- eines Aggregats zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, und/oder
- einer Kälte erzeugenden Einheit, insbesondere einer Adsorptionskältemaschine in das Energieversorgungssystem, einschließlich einer Integration in die Steuerung oder Regelung der Steuer- oder Regeleinheit. Verwendung des Energieversorgungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Ausbildung einer lokalen Energieversorgung oder zur Unterstützung einer lokalen Energieversorgung. Verwendung nach Anspruch 28 zur Ausbildung einer autarken Energieversorgung. Verwendung nach Anspruch 28 zur Ausbildung einer Netzersatzanlage oder eines Notstromaggregats. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 30 zur Lastspitzenkappung. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung einer Liegenschaft ausgebildet oder unterstützt wird. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung einer Ladestelle für batteriebetriebene Einheiten, z.B. Fahrzeuge, ausgebildet oder unterstützt wird. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil erzeugten Stroms in das öffentliche Stromnetz und/oder zumindest ein Anteil des erzeugten Wasserstoffs in eine öffentliche Wasserstoffversorgung eingespeist wird. Verwendung des Energieversorgungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Abwassernutzung.
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